【正文】 流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)中PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，為下面對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真打下了基礎(chǔ)。由附錄中表3可知當(dāng)h=5時。ASR應(yīng)該回歸計算飽和超調(diào)。檢測轉(zhuǎn)速環(huán)的小時間常數(shù)條件是：， 滿足條件。轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率。已知，由于電流環(huán)可以作為速度環(huán)、電流環(huán)的一個子部分可以等效時間常數(shù)設(shè)置為，則，速度濾波時間常數(shù)=，因此速度環(huán)小時間常數(shù)，即，可取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為s轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。靜態(tài)指標(biāo)滿足轉(zhuǎn)速無靜差，動態(tài)指標(biāo)滿足空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于10%。按照上述所計算的參數(shù)，再加上附錄中表1提供的數(shù)據(jù)可知:=%5%，滿足設(shè)計要求。電流反饋系數(shù)；所以ACR的比例系數(shù)為=，電流截止頻率=，檢驗晶閘管為，滿足條件。計算電壓的抗擾性能：，滿足各項指標(biāo)。=，因此=2ms=。1. 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計首先需要知道設(shè)計的指標(biāo)，有靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)。我們知道雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的電流環(huán)的一個特別的作用是能夠在動態(tài)過程中讓電樞電流不超過允許的最大值，故電流環(huán)一般被規(guī)劃為典型的I型系統(tǒng)，用PI調(diào)節(jié)器可以做到穩(wěn)態(tài)無靜差；為了讓轉(zhuǎn)速環(huán)也做到穩(wěn)態(tài)無靜差，所以也運用PI調(diào)節(jié)器，即加一個積分環(huán)節(jié)，但是轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部的電流環(huán)已經(jīng)有個積分環(huán)節(jié)，再加上一個共計兩個積分環(huán)節(jié)，就此轉(zhuǎn)速環(huán)規(guī)劃為II型系統(tǒng)。圖31 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中的表示電流反饋濾波時間常數(shù)；圖中的表示轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)；從圖中可見在電流環(huán)上加了電流濾波環(huán)節(jié)，在轉(zhuǎn)速環(huán)上加了轉(zhuǎn)速濾波環(huán)節(jié)，在兩個給定信號上同樣加了濾波環(huán)節(jié)。最后又詳細(xì)介紹了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)成，為后面的內(nèi)容做好了鋪墊！第3章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的選擇該電動機選擇直流電動機，由晶閘管供電，整流裝置選擇三相橋式電路，其各個參數(shù)如下：直流電動機額定電壓U=220V,額定電流I=140A,額定轉(zhuǎn)速n=2000r/min，電動勢系數(shù)=，過載倍數(shù)=；晶閘管放大倍數(shù)為=60；電樞回路總電阻R=；設(shè)電磁時間常數(shù)=，機電時間常數(shù)=；由于采用三相橋式電路，其滯后時間常數(shù)=； 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖應(yīng)該是在原來的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖基礎(chǔ)上增加了電流濾波環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速濾波環(huán)節(jié)和給定信號上的濾波環(huán)節(jié)。 圖27 雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 本章小結(jié)本章首先主要說明了直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方式有三種，而這三種中以調(diào)壓調(diào)速最優(yōu)，然后又重點闡述了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)，有穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)性能指標(biāo)，并分別介紹了各個指標(biāo)的分類，為后續(xù)的單片機控制實現(xiàn)數(shù)字化打下了基礎(chǔ)。將上述各傳遞函數(shù)以結(jié)構(gòu)圖的形式連接起來便得到了雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器因為采用了PI控制而能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，晶閘管整流裝置以近似為一階慣性環(huán)節(jié)實現(xiàn)了穩(wěn)定快速的必要條件，再加上直流電動機的傳遞函數(shù)，使得系統(tǒng)實現(xiàn)了雙閉環(huán)。咱們可以按這個公式來表示，由公式可以看出最大失控時間與交流電源頻率f和一周內(nèi)整流電壓的脈動波數(shù)m有關(guān)；當(dāng)電流在連續(xù)的狀態(tài)下，我們可把晶閘管整流觸發(fā)裝置看成一階慣性環(huán)節(jié)，因此它的傳函可寫成下式（215）； （215） PI調(diào)節(jié)器的傳函轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR為了實現(xiàn)快速無靜差，可以將它們均設(shè)為比例積分控制規(guī)律，即兩個調(diào)節(jié)器的比例部分P能使控制作用迅速的被響應(yīng)，達(dá)到要求但有靜差，因此加上積分部分I來消除穩(wěn)態(tài)誤差。 晶閘管觸發(fā)裝置的整流傳函晶閘管觸發(fā)裝置的整流環(huán)節(jié)在一定的工作范圍內(nèi)可看成是一個電壓響應(yīng)超前電流的環(huán)節(jié)，屬于純滯后環(huán)節(jié)。將式（210）整理成電流比電壓的形式可得傳函為下式（211）： （211）從電機的動力學(xué)方程可知電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為式（212）： （212）可得式（213）： （213）式子（213）中的是直流電機系統(tǒng)的機電時間常數(shù)。圖25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和動態(tài)數(shù)學(xué)模型 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖從上文中我們不但可以知道雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)是由兩個帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)構(gòu)成，再者也了解了電流調(diào)節(jié)器ACR的最大給定電壓受轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓的限制，電力電子變換器UPE的最大輸出電壓由電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓決定，如圖26所示為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)構(gòu)造圖[10]。圖24 雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)圖從圖24中可以看到，表示轉(zhuǎn)速外環(huán)的轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速外環(huán)的轉(zhuǎn)速反饋電壓，兩者的差值代表了轉(zhuǎn)速外環(huán)的偏差值作用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入端，經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的比例放大和積分去靜差使得其輸出端變?yōu)殡娏髡{(diào)節(jié)器ACR的輸入給定電壓，表示電流內(nèi)環(huán)的電流給定電壓，由電流互感器TA經(jīng)二極管轉(zhuǎn)化的電壓反向作用于電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入端，代表電流內(nèi)環(huán)的電流反饋電壓，它與電流內(nèi)環(huán)的電流給定電壓做差所得的值作用于電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入端，同樣經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)使得輸出端作為電力電子變換器UPE的輸入端，電力電子變換器UPE經(jīng)過變換可從直流電機中輸出轉(zhuǎn)速n，最后轉(zhuǎn)速n與測速發(fā)電機TG連接轉(zhuǎn)換為電壓的方式給到轉(zhuǎn)速外環(huán)，如此形成循環(huán)，構(gòu)成閉合回路[9]。而后穩(wěn)定運行時,讓系統(tǒng)只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋作用。直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在電機的電流和轉(zhuǎn)矩受限的情況下仍能充分發(fā)揮電機的過載能力,而且能夠使電流和轉(zhuǎn)矩保持允許的最大值，并且能夠加速運行，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時,讓電流減小而轉(zhuǎn)矩很快與負(fù)載相平衡,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理眾所周知，對于一個直流電動機調(diào)速系統(tǒng)具有多種調(diào)速系統(tǒng)方式，主要常用的有開環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)和多閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)。(2) 恢復(fù)時間標(biāo)準(zhǔn)階躍函數(shù)使用時從第一次出現(xiàn)擾動作用開始，最后到輸出量達(dá)到穩(wěn)定值，與新穩(wěn)態(tài)值的差值在某個基準(zhǔn)值的%或(2%)范圍之內(nèi)所經(jīng)過的時間我們稱之為恢復(fù)時間。(1) 動態(tài)降落穩(wěn)定運行的系統(tǒng)中，給系統(tǒng)加一個擾動所產(chǎn)生的最大降落值為動態(tài)降落。2. 抗擾性能指標(biāo)在穩(wěn)定運行的系統(tǒng)中，加一個負(fù)擾動量F使輸出量降低，得到輸出量由降低到恢復(fù)的過程就是系統(tǒng)抗擾過程。它主要反映的是輸出量在調(diào)節(jié)期間的快慢程度。峰值超過穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)比值叫超調(diào)量，即 (28) 系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性便是由超調(diào)量來反應(yīng)的，即要想系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性越好，則超調(diào)量就得越小。 圖23 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo)(1) 上升時間上升時間是用C(t)從“0”開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值時所經(jīng)過的時間來定義的，它反應(yīng)了動態(tài)響應(yīng)的快慢。1. 跟隨性能指標(biāo)當(dāng)R(t)變化時，C(t)跟隨系統(tǒng)變化。3. 變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍D、靜差率s和轉(zhuǎn)速降落之間的關(guān)系在直流調(diào)速系統(tǒng)中，可認(rèn)為電動機的額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)在最低速時的靜差率s見下式（25）： （25）因此最低轉(zhuǎn)速為下式（26）： (26）而調(diào)速范圍D為:將上面幾式聯(lián)立可得下式（27）： （27）由上式知，在一個調(diào)速系統(tǒng)中，讓轉(zhuǎn)速降落一定，若靜差率s的值變小,調(diào)速范圍D也變小[7]。因此可得出結(jié)論,D和s這兩項指標(biāo)不能單獨存在的，在調(diào)速過程中， 讓額定轉(zhuǎn)速降落相同，則降低轉(zhuǎn)速，靜差率就會變大。但是靜差率和機械硬度特性又是不一樣的，下圖22為不同轉(zhuǎn)速下的靜差率?？梢杂谩罢{(diào)速范圍”和“靜差率”來衡量調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，下面就介紹一下這兩項指標(biāo)：1. 調(diào)速范圍D在機械、生產(chǎn)上電動機的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍,用D表示，它們的關(guān)系見下式（22）： （22）其中是運行到額定負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速，是最低轉(zhuǎn)速?？刂妻D(zhuǎn)速的大小可以使調(diào)速性能發(fā)生變化。圖21三相橋式全控整流電路原理圖 調(diào)速系統(tǒng)的靜動態(tài)性能指標(biāo) 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)系統(tǒng)調(diào)試效果的優(yōu)劣取決于調(diào)速系統(tǒng)的性能，因此必須選擇最優(yōu)設(shè)計方案。故采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電方法[5]。為了讓直流電壓的波動以較小的波形顯示，故采用三相整流電路。 本論文選用VM系統(tǒng)，因為VM系統(tǒng)應(yīng)用范圍較廣 。2. 靜止變流裝置（VM系統(tǒng))，此方式是通過去調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)裝置GT的控制電壓來達(dá)到改變，從而實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的平滑調(diào)節(jié)，此方法快速性能、動態(tài)性能較好。1. 旋轉(zhuǎn)變流機組被稱為GM系統(tǒng)，此系統(tǒng)是由直流發(fā)電機和交流電動機組組成，目的是得到可調(diào)的直流電壓。因此，本論文的調(diào)速系統(tǒng)采用調(diào)壓調(diào)速。此法屬于有級調(diào)速，控制效率較低，而且平滑性較差，很軟的機械特性。這種方法調(diào)速范圍較小，動態(tài)響應(yīng)較慢，而且是讓電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法。調(diào)壓調(diào)速適合于大范圍無極平滑調(diào)速，而且動態(tài)響應(yīng)快，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，因此，應(yīng)用較廣。6. 數(shù)字化雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計：分別進(jìn)行電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計。今天，發(fā)達(dá)國家基本上已經(jīng)完全落實了數(shù)字化控制雙閉環(huán)。在中國，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展時期，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制也已經(jīng)基本成熟，然而時下還在趕超著發(fā)達(dá)國家，為了實現(xiàn)數(shù)字化不斷發(fā)展。咱們知曉雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一般由主電路（晶閘管可控整流電路），控制電路（移相電路和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流電機調(diào)速電路），以及保護電路（缺相和過流保護電路）等組成，當(dāng)給定的直流電壓為10V以內(nèi)的時候，可進(jìn)行平滑調(diào)速，然后采用PI調(diào)節(jié)器達(dá)到既放大倍數(shù)又達(dá)到穩(wěn)態(tài)無靜差的效果[2]。再加上計算機的操作和維護都非常方便快捷，使得數(shù)字化雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用又上了一個臺階。而在各個數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)中，以計算機為基礎(chǔ)的控制使得制作成本特別低，結(jié)構(gòu)也非常簡單。其次微電子技術(shù)、微處理器的出現(xiàn)使得電機調(diào)速系統(tǒng)從連續(xù)調(diào)速系統(tǒng)中的模擬量到離散調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字量轉(zhuǎn)化，不但提高了本身的運算速度，而且也使系統(tǒng)直觀清晰。后來數(shù)字化直流電機調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)使得直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣。直流電機調(diào)速系統(tǒng)是交流調(diào)速系統(tǒng)的最基本知識，是交流的基礎(chǔ)。因此希望輸入端只有電流負(fù)反饋作用，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不作用。通過學(xué)習(xí)《運動控制系統(tǒng)》，我們知道單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器可以達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差，但是必須保證系統(tǒng)是在穩(wěn)定運行的條件。直流調(diào)速能夠精確控制電樞電流和勵磁電流是因為電樞和勵磁不是耦合的。 目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題研究的背景和意義 1 直流調(diào)速系統(tǒng)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 國外的發(fā)展現(xiàn)狀 2 本文主要研究內(nèi)容 2第2章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)理論和數(shù)學(xué)模型 3 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇 3 調(diào)速系統(tǒng)的靜動態(tài)性能指標(biāo) 4 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 4 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 6 直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和動態(tài)數(shù)學(xué)模型 9 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 10 本章小結(jié) 11第3章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計 12 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的選擇 12 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法 12 本章小結(jié) 14第4章 用Matlab仿真雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 15 系統(tǒng)的建模和參數(shù)設(shè)置 15 電流環(huán)的系統(tǒng)仿真 15 電流環(huán)的仿真模型 15 電流環(huán)的仿真結(jié)果曲線 16 電流環(huán)的仿真結(jié)果分析 17 轉(zhuǎn)速環(huán)（雙閉環(huán)）的系統(tǒng)仿真 17 轉(zhuǎn)速環(huán)（雙閉環(huán)）仿真模型 17 轉(zhuǎn)速環(huán)（雙閉環(huán)）的仿真結(jié)果 18 轉(zhuǎn)速環(huán)(雙閉環(huán))的仿真結(jié)果分析 19 本章小結(jié) 19第5章 數(shù)字化雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 20 總體設(shè)計方案 20 單片機AT89C51的工作原理 20 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809的工作原理 22 可編程定時/計數(shù)器Intel8253的工作原理 24 本章小結(jié) 26結(jié)論 27致謝 28參考文獻(xiàn) 29附錄 31第1章 緒論 課題研究的背景和意義對于平滑調(diào)速范圍較廣、起制動性能較好的直流電動機來說，在各個方面中都被認(rèn)可，并且應(yīng)用范圍較廣。 PI control。s rapid development, but DC speed control system with the advantages of good control characteristic is still the main way of motor speed control system. In order to eliminate the interference, DC speed control system using the closedloop system, and in a closedloop system, double closed loop speed regulation system has a many unique advantages: can realize stable without static error, good static dynamic performance is widely used. In order to facilitate,